中科大科研團隊再登《Nature》封面，從此量子通訊不受距離限制？

這是在地面上實現遠距離量子網絡的一項重大成就。

量子通信是當下熱門的科研話題之一。

但由于光子的衰減，量子通信會被距離所限制，這些光子就正如神話故事里的“牛郎”和“織女”一樣，被分隔在光纖兩端。

如果說牛郎織女可以靠著“鵲橋”每隔一年相會一次。

那么在量子世界里，能讓“光子牛郎”和“光子織女”相遇的“鵲橋”就是“量子中繼”。

中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、周宗權研究組利用固態量子存儲器和外置糾纏光源，首次實現兩個吸收型量子存儲器之間的量子糾纏，并演示了多模式量子中繼。

該研究成果登上國際著名學術期刊《Nature》新一期封面，這也是中國量子存儲和量子中繼領域的重大進展。

搭起光子間的“鵲橋”

受限于光子數在光纖中的指數衰減，遠程量子糾纏的傳輸距離被限制在百公里水平。

中科大科研團隊是這么描繪遠程量子糾纏傳輸難題：“通過光纖向距離一千公里外的地方每秒發射一百億個光子，要花三百年才能接收到一個光子。”

距離問題，就成了當下量子網絡建設亟待解決的問題之一。

為此，科學家們提出量子中繼的思想，即將遠距離傳輸劃分為若干短距離基本鏈路，先在基本鏈路的兩個臨近節點間建立可預報的量子糾纏，然后通過糾纏交換技術進行級聯，從而逐步擴大量子糾纏的距離。

通俗易懂來講：如果直接發送光子很困難，那么可以像短跑接力一樣，將光子分段傳輸，從而實現遠距離通信。

這其中的技術核心是量子存儲技術，作為量子中繼的核心器件，量子存儲器對光子比特進行緩存，并用于儲存光子糾纏態。

而當前業內一直研究的課題，就是提升糾纏連接效率。

獨創的“三明治”量子存儲器

目前，國際上的研究者已在冷原子氣體和單量子系統中實現量子中繼的基本鏈路，但均基于發射型量子存儲器構建，其糾纏光子是由存儲器本身發射出來的。此前，李傳鋒教授在接受新華社采訪時表示：發射型量子存儲器，要么一次只能傳輸1個量子，效率低；要么一次傳輸多個量子，但精確率低。

這種架構難以同時支持確定性光子發射和多模式復用存儲，限制了糾纏分發的速率。

而此次李傳鋒、周宗權研究組的吸收型量子存儲器的量子中繼架構，把量子存儲器和量子光源分離開來，故能同時兼容確定性光子源和多模式復用，是目前理論上通信速率最優的量子中繼方案。

簡單來說，存儲和發射分離開來，可以保證傳輸時的精確度。

此前，李傳鋒、周宗權研究組長期從事基于稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲器的研究。

早在2015年，該團隊就首次利用光子的空間自由度實現復用量子存儲，存儲維度數達到51維，至今保持固態量子存儲維度數最高水平。

此后，研究組還進一步證明他們的存儲器可以在時間和頻率自由度實現任意脈沖操作，代表性的操作包括脈沖排序、分束、分頻、異頻光子合束和窄帶濾波等。

在本次實驗里，研究組研究的是基于稀土離子摻雜晶體的固態量子存儲，這種存儲器利用兩塊1.4毫米厚的摻釹釩酸釔晶體，分別處理光的兩種正交偏振態。

基于獨創的“三明治”結構，每對糾纏光子中的一個光子被三明治型量子存儲器所存儲，然后，每對糾纏光子中的另一個光子會同時傳輸至中間站點，這就實現了量子中繼。

《Nature》雜志審稿人對此次的研究成功給予高度評價并表示：“這是在地面上實現遠距離量子網絡的一項重大成就。”

量子通信，中國新的突破口

總結來講，這次研究成果就是如何讓單個微弱的糾纏態光子在光纖中盡可能遠的傳輸，傳輸的其實依然是量子密鑰，距離真正的“量子+通訊”還有一定距離。

但這依然是中科大這些年量子通訊領域一系列進步的延續，也延續著該領域的國際領先地位。

目前來看，中國已經走在了國際量子通信領域的前列。

一方面，中國擁有世界上最好的光纖資源，這為其大規模實施量子通信提供了土壤。另一方面，行業頭部企業在產品上的突破和通信巨頭的入局，國內外相關標準制定的推進，也為量子通信低成本產業化帶來可能。

在未來，信息安全本身是一個剛需、龐大的市場，而量子通信作為信息安全中的重要戰略產業，也將一直保持行業技術突破，直到我國實現“量子霸權”。

對于今后的研究方向，李傳鋒教授表示：下一步，研究組將繼續提高量子存儲器的各項指標，并采用確定性糾纏光源，從而大幅提高糾纏分發的速率，努力實現超越光纖直接傳輸的實用化量子中繼器。

我們也期待中科大科研團隊能在未來有更大的突破。

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